JP4529313B2

JP4529313B2 - 超音波発生装置

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Publication number: JP4529313B2
Application number: JP2001135591A
Authority: JP
Inventors: 真人布村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-03-27
Filing date: 2001-03-27
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2021-03-27
Also published as: JP2002282788A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波加工その他の用途に適用可能な超音波発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超音波を利用したハンディ機器は、非熱式の毛髪スタイリングや、シールジョイント、ラミネート等の溶着や加工を行う用途等に必要とされている。
【０００３】
従来の超音波発生装置は、図１５（ａ）に示すように駆動回路からの電気振動を機械振動に変換するコンバータ１０３、コンバータ１０３により変換された機械振動の振幅を増幅するブースタ１０４、及び増幅された機械振動の振幅を更に増幅し、対象物に超音波の振動エネルギーを伝達する放射面を備えたホーン１０５から構成されている。この構成により、超音波発生装置内には、図１５（ｂ）に示すように定在波が生じ、超音波振動はコンバータ１０３、ブースタ１０４、ホーン１０５と伝達されるに従ってその振動振幅が大きくなるように設計されている。しかしながら、かかる超音波発生装置は、大型で嵩張り、重量も重いことからハンディ機器としての限界があり、実用面からより小型の超音波発生装置が望まれていた。また、小型の超音波発生装置は既に市販されているが、これらの装置は超音波放射面の大きさが制限されている。
【０００４】
また、装置の小型軽量化と超音波放射面積の拡大のためには、図１６（ａ）（ｂ）に示すように、駆動部２０１とホーン部２０２とを合わせた寸法を超音波振動における１波長の１／２に小型化し、かつ超音波放射面を備えるホーン部２０２を拡大して放射面積を大きくするようにした超音波発生装置が考えられる。ところが、この方法では、駆動部２０１からの超音波振動がホーン部２０２の放射面２０３に到達した際、超音波振動の振幅が放射面全体で均一とならない。超音波振動の振幅の分布は、図１６（ａ）に示すように、放射面の中央部に超音波振動が集中し、放射面全域で均一な振幅が得られていない。
【０００５】
そこで、特開平７−２２３１号公報に、装置を小型化し、超音波放射面積を拡大し、かつ本来の駆動に不要な寄生振動を抑制する超音波発生装置が提案されている。図１７（ａ）（ｂ）はこの超音波発生装置を示すもので、１／２波長の長さ寸法を有し（図１７（ｃ））、図１６に示す超音波発生装置に対してホーン部２０２の駆動部側に反作用体２０４を設け、超音波発生装置に発生する本来の駆動に不要な寄生振動を抑制し、放射面２０３を広い面積を有する形状にしても、放射面上の超音波振動の振幅を均一にしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ホーン部２０２に反作用体２０４を備える構造は、放射面に垂直な方向以外の方向形成される不要な寄生振動を抑制し、放射面全域にわたり超音波の振幅を均一に保つ点では有効である一方、半作用体２０４を設けた分、占有スペースや重量が大幅に増大してしまい、小型軽量化には至っておらず、この点で更に改良する余地がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、小型軽量でかつ所望の面積の超音波放射面の全域から超音波振動の振幅を均一にし得る超音波発生装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、超音波振動の駆動源となる振動子を含む駆動部と、前記駆動部に接続され、前記駆動部からの超音波振動を増幅して先端の放射面に伝達するホーン部とからなる超音波発生装置であって、前記ホーン部内を伝達する超音波振動のうち、前記放射面に垂直な方向以外へ向かう超音波振動を前記放射面に垂直な方向へ変換させる方向変換構造を設け、前記方向変換構造は、前記ホーン部と前記駆動部との接続面の角部に形成された面取り部であり、前記ホーン部は、面側部に、前記接続面と放射面部との中間位置より上部の位置から前記放射面に向けて、前記ホーン部の断面が連続的に小さくなるように正面視において左右対称な湾曲部を備えることを特徴とするものである。
【０００９】
この構成によれば、放射面に垂直な方向以外へ向かう超音波振動は、方向変換構造によって放射面と垂直方向に方向変換されるので、本来の装置の駆動に不要な寄生振動の発生を抑制し、干渉を低減するので、放射面全域で均一な超音波振動の振幅が得られる。また、この構成によれば、面取り部を行うだけで、放射面と垂直な方向以外へ向かう超音波振動が放射面と垂直な方向に方向変換される。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の超音波発生装置において、前記ホーン部と前記駆動部との全長は、超音波振動における１／２波長であることを特徴とする。この構成によれば、放射面に振幅の腹を発生し得るので、高い振動レベルを得ることが可能となる。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の超音波発生装置において、前記面取り部は、前記接続面から放射面に向けて湾曲した形状に形成されていることを特徴とする。この構成によれば、放射面と垂直な方向以外へ向かう超音波振動が湾曲した形状面で反射されて、より放射面側に向けられる。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記面取り部は、指数関数および指数関数状の一方で表される形状に形成されていることを特徴とする。この構成によれば、放射面と垂直な方向以外へ向かう超音波振動が指数関数および指数関数状の一方で表される形状面で反射されて、最も効率よく放射面側に向けられる。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記駆動部は、圧電素子を駆動源としたことを特徴とする。この構成によれば、圧電素子を用いて超音波発生装置が製作される。
【００１５】
請求項６記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記駆動部は、磁気歪素子を駆動源としたことを特徴とする。この構成によれば、磁歪素子を用いて超音波発生装置が製作される。
【００１６】
請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記ホーン部と前記駆動部とはボルトにより締結されていることを特徴とする。この構成によれば、ホーン部と駆動部とがボルトで締め付け固定されたため、振動子に常時適切な圧縮応力が加わり、大きな振動応力が得られる。
【００１７】
請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記放射面は、細長い平面形状を有することを特徴とする。この構成によれば、細長い形状の領域で超音波振動が得られる。
【００１８】
請求項９記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記放射面は、細長い面を有すると共に短尺方向が凸状の曲面形状であることを特徴とする。この構成によれば、凸状の曲面形状の放射面でより高い超音波振動の振幅が得られる。
【００１９】
請求項１０記載の発明は、請求項１〜９いずれかに記載の超音波発生装置において、前記ホーン部は、超音波振動の節平面付近の面積最大部から前記放射面にかけて先窄まり形状を有することを特徴とする。この構成によれば、ホーン部の面積最大部から先端の放射面に伝達される際に超音波振動の振幅が増大される。
【００２０】
請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の超音波発生装置において、前記先窄まり形状は、指数関数および指数関数状の一方で表される形状であることを特徴とする。この構成によれば、超音波振動の振幅が効率よく増大される。
【００２１】
請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の超音波発生装置において、前記先窄まり形状は、懸垂面を有する形状であることを特徴とする。この構成によれば、超音波振動の振幅が効率よく増大される。
【００２２】
請求項１３記載の発明は、請求項１０記載の超音波発生装置において、前記先窄まり形状は、縦断面が順次小寸法となる少なくとも２段構成の段付き形状であることを特徴とする。この構成によれば、超音波振動の振幅が効率よく増大される。
【００２３】
請求項１４記載の発明は、請求項１〜１３のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記ホーン部は、平板状であることを特徴とする。この構成によれば、ホーン部の形状を平板状としたため薄層となり、軽量化が図れる。
【００２４】
請求項１５記載の発明は、請求項１〜１４のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記ホーン部は、少なくとも１以上のスリットが穿設されてなることを特徴とする。この構成によれば、放射面と垂直以外の方向の振動がスリットで規制されて寄生振動が抑制されるので、放射面と垂直な方向に向かう超音波振動が増えることとなる。
【００２５】
請求項１６記載の発明は、請求項１〜１５のいずれかに記載の超音波発生装置において、超音波振動の節平面が、前記ホーン部と駆動部との接続面付近の領域に形成されていることを特徴とする。この構成によれば、ホーン部の先端で振動の腹が発生する。
【００２６】
請求項１７記載の発明は、請求項１〜１６のいずれかに記載の超音波発生装置において、超音波振動の節平面が、機械的固定点と略一致していることを特徴とする。この構成によれば、本装置を機械的固定点で支持することで超音波振動の振幅が抑制されることがなくなり、効率よい超音波振動が得られる。
【００２７】
請求項１８記載の発明は、請求項１〜１７のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記ホーン部と前記駆動部とが脱着可能であることを特徴とする。この構成によれば、超音波発生装置の用途等に応じて、ホーン部または駆動部の取り替えが容易、可能となる。
【００２８】
請求項１９記載の発明は、請求項１〜１８のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記放射面を押圧可能な押さえ部材を備えたことを特徴とする。この構成によれば、放射面に毛髪を挟んで押さえ部材で押さえることで、毛髪のスタイリングに適用可能となる。
【００２９】
請求項２０記載の発明は、請求項１〜１８のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記ホーン部は、少なくとも先端表面が耐熱材で構成されていることを特徴とする。この構成によれば、放射面が耐熱性を有するので、所要の高温が必要な熱可塑性プラスチック等の溶着や加工に適用可能となる。
【００３０】
請求項２１記載の発明は、請求項１〜２０のいずれかに記載の超音波発生装置において、前記ホーン部は、軽金属および軽合金の一方から構成されていることを特徴し、請求項２２記載の発明は、請求項２１記載の超音波発生装置において、前記軽金属および軽合金の一方は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする。この構成によれば、超音波発生装置が軽量化される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明を説明する図面では、便宜上、超音波振動の振幅を本来の縦波に代えて横波で記述し、超音波振動の伝達方向を矢印で示し、振動振幅の大きさを矢印の長さで示す。また、本発明において、超音波振動振幅の均一や伝達方向の一定という意味は厳密な意味ではなく、対象物に対して適切に超音波振動が伝達できる範囲内という意味であり、超音波振動の振幅の比較的小さい箇所や伝達方向が放射面と垂直でない箇所があってもよい。例えば、ある瞬間における超音波振動の振幅が放射面に垂直な方向の成分の最大振動振幅に対する最低振動振幅の割合として略７０％程度以上であれば超音波振動振幅は均一として扱ってもよい。また、駆動部の振動子としては圧電素子の他に、磁気で機械的歪みを生じる磁歪素子を使用してもよい。
【００３２】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る超音波発生装置の構成図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。この超音波発生装置１は、超音波振動の駆動源となる圧電素子を有する駆動部１１と、超音波振動を増幅して放射面から対象物２に超音波振動を伝達するホーン部１２とから構成される。
【００３３】
駆動部１１は円柱状で所要長さを有する圧電素子１１１とその両面に電極１１２を形成してなる振動子と、その両側に設けられた軽金属あるいは軽合金からなる同径の支持部１１３，１１３を一体で形成してなるものである。電極１１２には図略の駆動回路から所定周波数の駆動交流信号が印加され、これにより圧電素子が径方向に励振される。
【００３４】
ホーン部１２は駆動部１１の上端に接続乃至は締結されるもので、図（ａ）に示すように、正面視で、駆動部１１の上端と接続される基端側の接続面部１２１と、接続面部１２１と平行な先端側の放射面部１２２と、側面が接続面部１２１と放射面部１２２の略中間位置から接続面部１２１の角部に向けて略４５度程度のテーパ状に穿設された左右対称な面取り部１２３とから構成されている。また、ホーン部１２は、図（ｂ）に示す側面視のように、接続面部１２１が四角形を有し、その前後方向寸法も駆動部１１より多少大きめに形成され、さらに所要の肉厚部分を有すると共に、その上部側は先端の放射面部１２２に向けて断面が漸次小寸法となる先窄まり状、すなわちテーパが形成され、これにより後述するように駆動部１１からの超音波振動の振幅が先端の放射面部１２２に伝達するに従って増大するようにされている。
【００３５】
また、本装置のサイズは、図（ｃ）に示すように、駆動部１１とホーン部１２の接続面部１２１乃至はその付近に超音波振動の節が位置するようにし、かつ駆動部１１、ホーン部１２の双方の長さ寸法を超音波振動での１／４波長として両端に腹が位置するように設計している。なお、放射面部１２２には超音波振動のエネルギーを利用して目的となる加工が施される加工対象物２が当接乃至は押圧等される。
【００３６】
次に、本装置の振動動作を説明する。駆動部１１が励振されると、その超音波振動が接続面部１２１を経てホーン部１２に伝達される。超音波振動は、ホーン部１２内部で回析を起こす結果、放射面部１２２に向かう（垂直な方向に進む）超音波振動ｗ０の他に、左右方向（放射面部と垂直以外の方向）に進行する超音波振動ｗ１、ｗ２が発生する。左右方向に進行する超音波振動ｗ１，ｗ２は面取り部１２３の境界面での音響インピーダンスの差によって反射され、超音波振動ｗ３として放射面部１２２に方向変換される。このように左右側に向かう超音波振動を好適に放射面部１２２側に方向変更させることで、放射面部の左右方向（長手方向）における振動レベルは超音波振動Ｗで示すようにより均一となる。このとき、ホーン部１２を１／４波長の長さ寸法に設計しておくことで、図１（ｃ）に示すような定在波が生じ、超音波振動はホーン部１２の放射面部１２２で最大振幅を得る。なお、本実施形態では、ホーン部１２と駆動部１１との全長を超音波振動の１波長における１／２波長としているが、これに限定されず１／４波長、１／６波長のように偶数分の１の寸法に設定可能であり、こうすることによって更に小型化が実現可能となる。
【００３７】
また、図（ｄ）は放射面部１２２での超音波振動の振幅の態様を示しており、（イ）は放射面部１２２の長手方向中央部と両端が小さく、その間が大きいタイプ、（ロ）はその逆、（ハ）は中央から両端に向けて漸次小さくなるタイプである。このように、超音波振動の振幅の最大と最小とが長手方向で３０％以内であることにより、より均一化が図れている。
【００３８】
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。ホーン部１２ａは第１実施形態の構造に比して正面形状が異なる。すなわち、ホーン部１２ａの面側部には、正面視で示すように、接続面部１２１ａと放射面部１２２ａの中間位置より多少上部とする位置から放射面に向けて、ホーン部１２ａの断面が連続的に小さくなるように左右対称な湾曲部１２４ａが設けられている。ホーン部１２ａに湾曲部１２４ａ設けた分、面取り部１２３ａの寸法は小さくされる。
【００３９】
湾曲部１２４ａを設けることにより、ホーン部１２ａの断面積は放射面に向けて漸次に減少するため、かつ超音波振動が放射面１２２ａに伝達するにつれて効率よく集中するため、放射面１２２ａ上で強い超音波振動の振幅が得られる。
【００４０】
（第３実施形態）
図３は第３実施形態に係る超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。この超音波発生装置は、第１実施形態の超音波発生装置に比して、ホーン部１２に左右側面が接続面部１２１と放射面部１２２の中間位置より多少上部の位置から断面が連続的に小さくなるよう指数関数または指数関数状で示される形状の湾曲部１２４を設けると共に、面取り部１２３をホーン部１２の全長の略半分の位置まで設けている。面取り部１２３の面取り寸法を大きく取りすぎると、一方での反射による波と直進波との干渉が生じて、却って、放射面付近で寄生振動が発生する。そこで、面取り部１２３のホーン長手方向の面取り寸法をホーン部１２の略半分としている。このように面取り部１２３の寸法を設定することで放射面部１２２に垂直な方向以外に向かう超音波振動ｗ２を放射面と垂直な方向に干渉なく効率的に変換でき、これにより、寄生振動の発生が抑制され、放射面部１２２上で均一な超音波振動振幅が得られる。
【００４１】
（第４実施形態）
図４は第４実施形態に係る超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。この超音波発生装置は、面取り部１２３ｂ及び湾曲部１２４ｂの形成位置は、図２に示す第２実施形態と同一であるが、面取り部１２３ｂが湾曲部１２４ｂと同様に指数関数または指数関数状で表わされる形状に形成されている。このように、面取り部１２３ｂを指数または指数関数状で表わされる形状にすることで、面取り部１２３ｂを直線状としたものに比べて、放射面部１２２ｂに垂直な方向以外の超音波振動ｗ１が放射面部１２２ｂと垂直な方向に超音波振動ｗ３とて効率良く変換されるので、寄生振動の発生が抑制され、放射面部１２２ａ上でより強い超音波振動振幅が得られる。
【００４２】
（第５実施形態）
図５は第５実施形態に係る超音波発生装置の構造図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面からの縦断面図を示している。この超音波発生装置は、図（ｂ）に示すようにホーン部１２には接続面部１２１の中央位置に雌ねじ１２９が形成され、駆動部１１には中心に孔１１０が貫通され、下方側の支持部１１３に一体に形成された立直のボルト１３を挿通させ、孔１２９を締め付けてホーン部１２と駆動部１１とを適正な締め付け圧で締結している。このように、駆動部１１とホーン部１２とをボルト１３で締結することで振動子１１１に常時適切な圧縮応力が加わるので、大きな振動応力が得られ、効率的に超音波振動を発生することができる。
【００４３】
（第６実施形態）
図６は、第６実施形態に係る超音波発生装置の構造図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係図、（ｄ）は放射面部１２２ｃ（放射面）の形状を示している。この超音波発生装置はホーン部１２ｃの胴体部を円柱状とし、正面視で、図（ａ）に示すように駆動部１１の上端と接続される基端側の接続面部１２１ｃと、接続面部１２１ｃと平行な先端側の放射面部１２２ｃと、側面が接続面部１２１ｃと放射面部１２２ｃの中間位置より多少下部となる位置から接続面部１２１ｃの角部（周縁部）に向けて略４５度程度のテーパ状に穿設された面取り部１２３ｃとから構成されている。また、ホーン部１２ｃは、図（ｂ）に示す側面視のように、胴体部の上部側は先端の放射面部１２２ｃに向けて断面が漸次小寸法となる先窄まり状、すなわちテーパが形成され、これにより後述するように駆動部１１からの超音波振動が先端の放射面部１２２ｃに伝達するに従って振幅増大するようにされている。
【００４４】
面取り部１２３ｃを設けたため、放射面に垂直な方向以外に向かう超音波振動ｗ１を反射させて放射面と垂直な超音波振動ｗ３に変換でき、放射面部１２２ｃを細長い平面状としても全領域に亘り均一な超音波振動の振幅が得られる。
【００４５】
また、図（ｄ）は、放射面部１２１ｃの側面視の形状を示し、（イ）は放射面が平面形状、（ロ）は全体的に丸みを帯びた（凸状の曲面）形状、（ハ）はエッジに丸味を持たせた形状である。これらは目的、用途に応じて、適宜使い分けてもよい。特に（ロ）の形状はより大きな超音波振動の振幅を得る点で優れている。
【００４６】
また、図７に示すように装置の使用目的に応じて所望の超音波振動の振幅を得るためにホーン部１２ｃの湾曲部１２４ｃの形状を、適宜設計可能である。例えば、図（ａ）は指数関数又は指数関数状に表わされる形状を有するホーン部１２ｃ−１（エクスポーネンシャル状）であり、図（ｂ）は懸垂面状（コニカル状）を有するホーン部１２ｃ−２であり、図（ｃ）は縦断面が２段構成の段付き形状を有するホーン部１２Ｃ−３を有している。
【００４７】
各形状は以下のような特徴がある。すなわち、エキスポーネンシャル状１２Ｃ−１のタイプでは、加工が困難であるが、高い増幅度が得られる。懸垂面状のホーン部１２Ｃ−２のタイプでは、増幅度はエクスポーネンシャル状に比べて低くいが、加工が容易であり、振動応力に対する耐久性が高い。段付き形状の１２Ｃ−３のタイプは増幅度は懸垂面型より高いが、指数型程大きくなく、加工が困難で、応力破壊されやすく耐久力は低い。
【００４８】
（第７実施形態）
図８は第７実施形態の超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。ホーン部１２ｄは、図（ａ）に示すように、正面視で、駆動部１１の上端と接続される基端側の接続面部１２１ｄと、接続面部１２１ｄと平行な先端側の放射面部１２２ｄと、側面が接続面部１２１ｄと放射面部１２２ｄの略中間位置から接続面部１２１ｄの角部に向けて略４５度程度のテーパ状に穿設された左右対称な面取り部１２３ｄとから構成されている。また、ホーン部１２は、図（ｂ）に示す側面視のように、胴体部が平板状であり、胴体部の上部側は先端の放射面部１２２ｄに向けて断面が漸次小寸法となる先窄まり状、すなわちテーパが形成され、これにより駆動部１１からの超音波振動の振幅が先端の放射面部１２２ｄに伝達するに従って増大するようにされている。
【００４９】
このようにホーン部１２ｄの形状を図（ａ）（ｂ）に示すように左右方向に長尺の平板状とすることで、軽量化を図っている。
【００５０】
（第８実施形態）
図９は第８実施形態に係る超音波発生装置の構造図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。この超音波発生装置は、ホーン部１２ｄの形状を平板状とした第７実施形態の超音波発生装置に対してホーン部１２ｄにスリット１２８ｄを形成したものである。すなわち、ホーン部１２ｄの短幅方向に貫通するように２個のスリット１２８ｄを長幅方向で左右対称に穿設したものである。このように、１２１ｄ〜１２２ｄ方向にスリット１２８ｄを形成することで、駆動部１１で発生した超音波振動はホーン部１２ｄの振動により放射面部１２２ｄへ伝達されるが、ホーン部１２ｄの表面積を広くすると、あらゆる方向に超音波振動が伝達され、干渉を生じるなどして１２２ｄでの振幅低下、不均一化を招く。そこで、ホーン部１２ｄにスリット状の穴１２８ｄを設けるて、超音波振動に不必要な回折を生じないようにすることで、放射面部１２２ｄと垂直な方向に向かう超音波振動が増大され、均一な超音波振動振幅Ｗを放射面部１２２ｄ上で形成できる。
【００５１】
（第９実施形態）
図１０は第９実施形態に係る超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。この超音波発生装置は第８実施形態の超音波発生装置において超音波の節平面がホーン部１２ｄと駆動部１１との接続面部１２２ｄ付近に発生するように設計されたものである。図１１は、ホーン部１２ｄの節平面部に機械的固定点を形成して、ハウジング３に固定した形態を示し、（ａ）は、ホーン部１２ｄの節平面部の外側部に機械的固定点としてハウジング固定縁１２５を設けたものであり、（ｂ）はホーン部１２ｄの節平面部分の外側部機械的固定点としてハウジング固定溝１２６を設けたものである。このように、節平面部分に機械的固定点を一致させることで、固定ハウジング３で固定しても、超音波発生装置の安定した駆動が可能となる。
【００５２】
（第１０実施形態）
図１２は、本発明に係る超音波発生装置を毛髪のスタイリング装置２０に適用した場合の説明図で、（ａ）は放射面部１２２に毛髪Ｈａを載せた状態を、（ｂ）は毛髪Ｈａを押さえ板２２で挟んだ状態を示している。この毛髪スタイリング装置２０は超音波発生装置１のホーン部１２の節平面部で固定部材２４（図１２（ａ）（ｂ）に示す構造を採用してもよい）により超音波発生装置を固定したハウジング２１と、ハウジング２１の端部にて回転部材２３により取りつけられ、毛髪Ｈａを放射面部１２２状で好適に押さえつける押さえ板２２から構成されている。また、押さえ板２２の先端部には毛髪Ｈａの押さえ付けを好適に行う毛髪押さえ付け部材２２ａが備えられている。超音波発生装置１の放射面部１２２上に毛髪を載せ、押さえ板２２で毛髪押さえ付け部材２２ａを介して毛髪Ｈａを挟み、毛髪Ｈａに対して超音波振動を伝達することにより毛髪Ｈａのスタイリングを行うことができる。
【００５３】
（第１１実施形態）
図１３は第１１実施形態に係る超音波発生装置の構造図である。この超音波発生装置は、第１実施形態の超音波発生装置１において、駆動部１１に雄ねじ１１ｋを、ホーン部１２の接続面部１２１の中央に雌ねじ１２７を形成し、駆動部１１とホーン部１２とを取り外し可能としたものである。このため、超音波溶着、超音波加工、超音波スタイリング等の用途に応じて駆動部１１もしくはホーン部１２を取りかえることが可能となる。
【００５４】
また、駆動部１１またはホーン部１２が劣化したり損傷して、超音波発生装置の使用が困難となったときでも、取り外し可能としたため、直ちに交換することができる。
【００５５】
なお、図１３では、駆動部１１とホーン部１２との取り外し方法として、ねじ式のものを示したが、これに限らず、他の方法、例えば、雄ねじ雌ねじの関係を逆にさせたり、雄ねじと雌ねじとの間を棒状と、穴状にして圧入により圧着するようにしてもよい。
【００５６】
（第１２実施形態）
図１４は第１４実施形態に係る超音波発生装置の構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示している。この超音波発生装置は、第８実施形態の超音波発生装置において、駆動部１１の支持部１１３、１１３及び駆動部１２の材質を軽金属または軽合金で構成している。また、使用する軽金属としては、比重の面からアルミニウムまたはアルミニウム合金が好ましい。さらに、軽量かつ強度を強くするためチタン合金を使用するとよい。このようにすると、超音波発生装置は更に軽量化される。
【００５７】
以上第１実施形態〜第１２実施形態において、駆動部１１の圧電素子１１１をニッケル、ベリリウム銅等の電極１１２で挟むと、高い伝導率を有するため、なお好ましい。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、放射面全域で均一な超音波振動を得ることができる。また、請求項１記載の発明によれば、面取り部を設けるだけで、放射面と垂直な方向以外に向かう超音波振動を放射面と垂直な方向に方向変換できる。
【００５９】
請求項２記載の発明によれば、放射面に振幅の腹を発生し得るので、高い振動レベルを得ることができる。
【００６１】
請求項３記載の発明によれば、放射面と垂直な方向以外へ向かう超音波振動を湾曲した形状面で反射させて、より放射面側に向けることができる。
【００６２】
請求項４記載の発明によれば、放射面と垂直な方向以外へ向かう超音波振動を指数関数および指数関数状の一方で表される形状面で反射させるので、最も効率よく放射面側に向けることができる。
【００６３】
請求項５、６記載の発明によれば、圧電素子あるいは磁歪素子を用いて超音波発生装置を製作できる。
【００６４】
請求項７記載の発明によれば、ホーン部をボルトで締結することにより、振動子に常時適切な圧縮応力を与え、大きな振動応力を得ることができる。
【００６５】
請求項８記載の発明によれば、細長い形状の領域で超音波振動を得ることができる。
【００６６】
請求項１０記載の発明によれば、超音波振動がホーン部の面積最大部から先端の放射面に伝達される際に超音波振動の振幅を増大させることができる。
【００６７】
請求項１１〜１３記載の発明によれば、超音波振動の振幅を効率よく増大できる。
【００６８】
請求項１４記載の発明によれば、ホーン部の形状を平板状としたため薄層となり、軽量化が図れる。
【００６９】
請求項１５記載の発明によれば、ホーン部にスリットを設けたことにより、不要な寄生振動を抑制し、効率よく超音波振動を放射面部から伝達させることができる。
【００７０】
請求項１６記載の発明によれば、ホーン部の先端で振動の腹が発生する。
【００７１】
請求項１７記載の発明によれば、ホーン部の節平面に機械的固定点を設けることで、ハウジング等で支持しても装置の安定した駆動を実現できる。
【００７２】
請求項１８記載の発明によれば、超音波発生装置の用途等に応じて、ホーン部または駆動部の取り替えが容易、可能となる。
【００７３】
請求項１９記載の発明によれば、毛髪のスタイリング装置に超音波発生装置を適用することができる。
【００７４】
請求項２０記載の発明によれば、所要の高温が必要な熱可塑性プラスチック等の溶着や加工に適用可能となる。
【００７５】
請求項２１、２２記載の発明によれば、軽量化した超音波発生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の超音波発生装置の構造図で（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図２】第２実施形態の超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図３】第３実施形態の超音波発生装置構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図４】第４実施形態の超音波発生装置構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図５】第５実施形態の超音波発生装置構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は正面からの縦断面図を示している。
【図６】第６実施形態の超音波発生装置の構造図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係図、（ｄ）は放射面部１２２ｃ（放射面）の形状を示している。
【図７】第６実施形態の超音波発生装置を示す図である。
【図８】第７実施形態の超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図９】第８実施形態に係る超音波発生装置の構造図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図１０】第９実施形態に係る超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図１１】第９実施形態に係る超音波発生装置の構造図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図１２】本発明に係る超音波発生装置を毛髪のスタイリング装置２０に適用した場合の説明図で、（ａ）は放射面部１２２に毛髪Ｈａを載せた状態を、（ｂ）は毛髪Ｈａを押さえ板２２で挟んだ状態を示している。
【図１３】第１１実施形態に係る超音波発生装置の構造図である。
【図１４】第１４実施形態に係る超音波発生装置の構成図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示している。
【図１５】従来の超音波発生装置の構造図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図１６】従来の超音波発生装置の構造図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【図１７】従来の超音波発生装置の構造図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は装置と超音波振動の振幅位相位置の関係を示している。
【符号の説明】
１１駆動部
１１１雄ねじ部
１２１２ａ１２ｂ１２ｃ１２ｄホーン部
１２１１２１ａ１２１ｂ１２１ｃ１２１ｄ接続面部
１２２１２２ａ１２２ｂ１２２ｃ１２２ｄ放射面部
１２３１２３ａ１２３ｂ１２３ｃ１２３ｄ面取り部
１２４１２４ａ１２４ｂ１２４ｃ１２４ｄ湾曲部
１２５固定ハウジング縁
１２６固定ハウジング溝
１２７雌ねじ部
２０毛髪スタイリング装置
２２押さえ板（押さえ部材）
２４固定部材

Claims

超音波振動の駆動源となる振動子を含む駆動部と、前記駆動部に接続され、前記駆動部からの超音波振動を増幅して先端の放射面に伝達するホーン部とからなる超音波発生装置であって、
前記ホーン部内を伝達する超音波振動のうち、前記放射面に垂直な方向以外へ向かう超音波振動を前記放射面に垂直な方向へ変換させる方向変換構造を設け、
前記方向変換構造は、前記ホーン部と前記駆動部との接続面の角部に形成された面取り部であり、
前記ホーン部は、面側部に、前記接続面と放射面部との中間位置より上部の位置から前記放射面に向けて、前記ホーン部の断面が連続的に小さくなるように正面視において左右対称な湾曲部を備えることを特徴とする超音波発生装置。
前記ホーン部と前記駆動部との全長は、超音波振動における１／２波長であることを特徴とする請求項１記載の超音波発生装置。
前記面取り部は、前記接続面から放射面に向けて湾曲した形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波発生装置。
前記面取り部は、指数関数および指数関数状の一方で表される形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記駆動部は、圧電素子を駆動源としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記駆動部は、磁歪素子を駆動源としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記ホーン部と前記駆動部とはボルトにより締結されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記放射面は、細長い平面形状を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記放射面は、細長い面を有すると共に短尺方向が凸状の曲面形状であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記ホーン部は、超音波振動の節平面付近の面積最大部から前記放射面にかけて先窄まり形状を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記先窄まり形状は、指数関数および指数関数状の一方で表される形状であることを特徴とする請求項１０記載の超音波発生装置。
前記先窄まり形状は、懸垂面を有する形状であることを特徴とする請求項１０記載の超音波発生装置。
前記先窄まり形状は、縦断面が順次小寸法となる少なくとも２段構成の段付き形状であることを特徴とする請求項１０記載の超音波発生装置。
前記ホーン部は、平板状であることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記ホーン部は、少なくとも１以上のスリットが穿設されてなることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の超音波発生装置。
超音波振動の節平面が、前記ホーン部と駆動部との接続面付近の領域に設定されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の超音波発生装置。
超音波振動の節平面が、機械的固定点と略一致していることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記ホーン部と前記駆動部とが脱着可能であることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記放射面を押圧可能な押さえ部材を備えたことを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記ホーン部は、少なくとも先端表面が耐熱材で構成されていることを特徴とする請求項１〜１８のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記ホーン部は、軽金属および軽合金の一方から構成されていることを特徴とする請求項１〜２０のいずれかに記載の超音波発生装置。
前記軽金属および軽合金の一方は、アルミニウムまたはアルミニウム合金であることを特徴とする請求項２１記載の超音波発生装置。